风机基础混凝土裂缝数值分析及加固方案研究

2021-01-11陈加兴何吉谭争光

河南科技 2021年23期

陈加兴何吉谭争光

摘要：风机基础的结构完整是风机能够安全运行的重要保障。但是，近年来风机基础频繁出现混凝土开裂的现象。由于实际工程中难以量化判断裂缝对风机基础结构的危害程度，因此难以提出合理的加固方案。采用有限元数值分析方法对风机基础裂缝进行结构受力分析，研究裂缝对风机基础结构造成的影响，并据此提出加固方案，能够为实际工程提供参考。

关键词：风机基础;混凝土裂缝;加固方案;数值分析;有限元

中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0098-05

Abstract： The structural integrity of the Fan Foundation is an important guarantee for the safe operation of the fan. However， the concrete cracking of the fan foundation occurs frequently in recent years. It is difficult to quantify the damage degree of the cracks to the fan foundation structure in practical engineering.Therefore it is difficult to put forward a reasonable reinforcement scheme. In this paper， the finite element numerical analysis method is used to analyze the structure stress of the Fan Foundation crack， and the influence of the crack on the fan foundation structure is studied.

Keywords： wind turbine foundation;concrete crack;reinforce scheme;numerical analysis;finite element1

隨着国内风电项目大规模建设，近年来风机基础出现混凝土裂缝的现象越来越多，其中最常见的是混凝土台柱裂缝。随着风电场运行时间加长，暴露出这种问题的风电场数量明显增加，问题越来越严重。风机基础是关系到风机能否安全稳定运行的重要因素，而风机基础混凝土裂缝可能对基础安全运行造成不良影响[1]。实际工程实践中，很多时候难以判断混凝土裂缝具体的危害性，也难以采取有效的处理措施。采用有限元数值分析方法对风机基础裂缝进行结构受力分析，研究混凝土裂缝对风机基础结构可能造成的影响，并据此提出加固方案，可以为实际工程提供参考。

1 裂缝成因分析

风机基础混凝土作为大体积混凝土，其产生裂缝的原因有很多种，主要为结构裂缝、沉降裂缝、温度裂缝及表面干缩裂缝等[2]。

1.1 结构裂缝

结构裂缝是指因结构设计不合理而导致结构开裂，进而影响结构安全的裂缝，如基础环附近配筋不足引起的拉裂。

1.2 沉降裂缝

沉降裂缝是指因地基不均匀沉降而引起的结构开裂，如不均匀地基未经妥善处理而引起基础混凝土底部开裂。

1.3 温度裂缝

温度裂缝是指在混凝土施工过程中因未采取有效的温控措施，使得混凝土内部和表面温差过大而造成的混凝土拉裂。

1.4 干缩裂缝

干缩裂缝是指混凝土表面因养护不到位等原因使得混凝土表面失水干缩而拉裂。

4种裂缝中，结构裂缝和沉降裂缝会对风机基础的结构安全造成不良影响，需要慎重对待;而温度裂缝和干缩裂缝一般不会影响风机基础的结构安全，但会影响结构的耐久性和表观质量。

2 裂缝影响分析

运用风机基础有限元模型及数值计算理论，对风机基础混凝土裂缝进行结构受力分析，进而分析裂缝对风机基础的影响。

2.1 计算理论与方法

采用大型通用有限元软件ABAQUS提供的混凝土塑性损伤（Concrete Plastic Damage，CPD）模型[3]。开裂前混凝土采用线弹性本构关系。当混凝土受拉开裂后，通过损伤指标对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减，以描述混凝土的卸载刚度随损伤增加而降低的特性。

对于钢筋，采用链杆单元模拟[4]。当嵌入混凝土单元后，程序自动耦合自由度。嵌入式钢筋模型依据钢筋和混凝土的位移协调，分别求出混凝土和钢筋对单元刚度矩阵的作用，然后组合起来形成综合单元刚度矩阵。混凝土和钢筋的粘结滑动和暗销作用都通过引入混凝土的拉伸硬化进行模拟。

2.2 计算模型

主要结构钢筋位置示意图如图1所示。风机基础有限元整体模型如图2所示[5]。

考虑到实际工程中经常产生环向及径向两种裂缝，分别建立台柱混凝土径向裂缝缺陷模型和台柱环向裂缝缺陷模型。模型模拟裂缝深度为20 cm，其中径向裂缝贯穿台柱混凝土表面，并呈放射状分布，裂缝间隔为45o，而环向裂缝位于上台表面中部。

台柱混凝土径向裂缝有限元模型及环向裂缝有限元模型如图3所示。考虑到裂缝的存在将破坏风机基础混凝土结构的整体性，影响周围混凝土强度，因此调整该区域塑性损伤模型取值，具体如图4所示。

2.3 混凝土损伤分析

图5为台柱混凝土表面最大主应力云图。可以发现，由于裂缝区域混凝土材料强度降低，最终分担载荷也较小，因此其应力分布发生了明显改变。当径向裂缝存在时，在X轴正半区，最大主应力沿环向出现分段现象;当环向裂缝存在时，其最大主应力分布在裂缝处，沿径向存在分层现象。但是，两种模型中，对于裂缝深度以下的基础混凝土，应力分布则基本与无裂缝计算方案保持一致。

图6和图7分别为径向和环向裂缝模型中混凝土受拉塑性区分布图，可知风机基础结构中受拉破坏情况与无裂缝计算方案基本一致，无明显差异。汇总两者受拉塑性区扩展深度和水平最大扩展距离，结果如表1所示。表1水平最大扩展距离中，上下数据分别代表基础环顶部和底部的塑性区水平最大扩展距离。

对比基础方案可以发现，竖向及水平向最大扩展距离也与无裂缝计算方案相同。受压破坏方面，台柱裂缝缺陷下基础混凝土未出现受压破坏情况。

进一步汇总水平受拉塑性开裂区面积分布情况，如图8所示。可以看出，径向及环向裂缝方案中混凝土塑性开裂区面积几乎一致。此外，对比无裂缝方案，可以认为当前裂缝分布模式和深度（20 cm）下，上台表面裂缝对混凝土塑性区分布情况影响不明显。

2.4 基础环及钢筋应力分析

图9为径向和环向裂缝模型中基础环Mises应力云图，可以发现台柱混凝土不同裂缝形式并未对基础环产生明显影响，其应力分布情况与最值均与完整无裂缝方案基本一致。

钢筋受力方面，汇总两种缺陷模型中主要钢筋Mises应力最大值，如表2所示。由表2可知，竖向/径向钢筋并未对钢筋应力分布状态产生明显影响，原因在于此类钢筋应力最值一般分布在穿越基础环或混凝土塑性区附近，而该区域位置主要由载荷条件决定，因此混凝土表面裂缝缺陷对其影响很小。对于环向钢筋，在径向裂缝缺陷模型中，径向裂缝区域变形增大，导致穿越该区域的钢筋应力有所提高。例如，台柱表层16#环向钢筋，其应力分布一定程度上呈现分段现象，且最大应力值达到6.83 MPa，较之于完整无裂缝方案提高了21.8%。

2.5 计算结构分析

经过对比混凝土塑性损伤区范围及基础环、钢筋应力情况，可以得出以下结论。

①在极端荷载作用下，当前台柱表面裂缝模式和深度几乎不改变混凝土受拉塑性区的分布形式，依然以基础环下法兰为界分为顶部锥形受拉塑性区和底部水平受拉塑性区;受拉及受压损伤区扩展情况基本不受裂缝影响，各水平受拉塑性区面积与无裂缝方案基本一致，受压塑性区扩展距离及分布位置与无裂缝方案一致;裂缝的存在会使得台柱混凝土表面应力重分布，考虑径向裂缝时，在环向上主应力存在分段现象，而考虑环向裂缝时，裂缝内外侧存在应力分层现象。

②钢筋应力部分，对于主要竖向/径向钢筋，由于其应力分布情况主要与混凝土塑性区有关，最大值基本位于穿越基础环位置，因此当前台柱表面裂缝模式和深度并未对其产生明显影响;径向裂缝区域混凝土强度较弱，使得穿越该区域的环向钢筋应力明显提高，如16#钢筋，但对于混凝土内部的环向钢筋，表面裂缝的影响十分有限。

綜合而言，当前台柱混凝土表面裂缝缺陷模式对风机基础结构混凝土及内部钢筋受力情况影响不明显。

3 裂缝处理方案

通过上述分析，可认为台柱表面径向及环向裂缝（深度不大于20 cm）基本不影响结构整体安全。但是，实际工程中表面裂缝的出现可能造成内部钢筋锈蚀，进而造成结构整体刚度降低等问题，需要引起重视，及时进行闭缝加固处理。对于缝宽不超过0.2 mm的裂缝，建议采用表面封闭修补方案;对于缝宽超过0.2 mm的裂缝，为了保证内部灌浆密实，建议采取裂缝钻孔灌浆修补方案[6-7]。

3.1 表面封闭修补方案

3.1.1 混凝土表面处理。除去混凝土表面抹灰层，用圆盘式磨光机或钢丝刷除去裂缝两侧50 mm范围内疏松、劣质的混凝土，再用压缩空气除去混凝土碎屑和粉层，最后用丙酮或工业酒精擦洗干净。

3.1.2 涂胶。用刮刀将修补封口胶涂抹在裂缝两侧50 mm范围内，并沿裂缝方向反复压抹，使胶液尽可能渗入裂缝和混凝土表面。待胶液干后，再涂刷第二层。

3.1.3 表面修饰。待修补胶固化后，用磨光机磨平表面，用丙乳砂浆对裂缝修补部位表面进行修饰。

3.2 钻孔灌浆修补方案

采用环氧胶材灌浆，灌浆设备采用高压电动灌浆泵，灌浆方式采用打孔埋管灌浆法。工艺流程如下：钻孔—清孔—埋设灌浆针头（灌浆咀）—缝面封闭（封口胶）—试漏—灌浆（灌缝胶）—拆咀封孔—灌浆后效果检查—缝面处理。

4 结语

通过建立风机基础台柱混凝土裂缝缺陷模型，研究台柱表面径向及环向裂缝对混凝土结构受力特性的影响。经过模拟计算分析，认为风机基础台柱表面径向及环向裂缝（深度不大于20 cm）基本不影响结构整体安全，但可能造成内部钢筋锈蚀进而导致结构整体刚度降低，仍需引起重视，及时进行闭缝处理。

参考文献：

[1]马人乐，黄冬平.风电结构亚健康状态研究[J].特种结构，2014（4）：1-4.

[2]徐佰峰.风机基础裂缝控制要点分析[J].建材发展导向，2020（6）：58-60.

[3]聂建国，王宇航.ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J].工程力学，2013（4）：59-67.